基于密度泛函理論計算進一步優化水解離和氫吸附過程

氫氣是一種無碳、清潔、環保的綠色資源，能量密度最高(142MJ kg-1)，因此被廣泛認為是最具潛力的清潔能源。此外，隨著氫氣冶金技術的不斷發展，對氫氣作為還原劑的需求也在不斷增加。電催化是一種潛在的可持續制氫方法，開發非貴金屬基電化學水分解的高效電催化劑是開發和利用可再生能源的核心。

來自重慶大學等單位的研究人員合成了一種具有多異質結構界面和三維多孔結構的電催化劑，闡明了結合多特征和密度泛函計算的電催化活性增強機理。特別是，所制備的Co2P/N@Ti3C2Tx@NF(下文表示為CPN@TC)表現出15毫伏的超低過電位，以達到10mA·cm-2的電流密度，并且具有長期耐久性。另一方面，這種催化劑在1 m KOH中具有30mV·dec-1的小Tafel斜率，這甚至優于貴金屬催化劑。出色的HER活性歸因于吸附H2O和氫的多異質界面、電子傳輸的高電導率以及設計良好的離子和氣體快速傳輸結構。因此，有理由認為CPN@TC的合成策略可以擴展到過渡金屬基磷化物的制備，以提高催化性能。

總的來說，通過兩步電沉積和隨后的氮化工藝，在MXene(Ti3C2Tx)改性的NF表面成功地制備了具有多異質結構界面的CPN@TC。經過精心設計的CPN@TC可以用于吸附H2O和H*的多個異質界面、電子傳輸的FNE導電性以及用于離子和氣體快速傳輸的介質。另一方面，該催化劑在1m KOH中表現出驚人的性能，在10 mA cm-2時的過電位僅為15 mV，并且長期穩定。另外，通過密度泛函理論計算進一步優化了水解離和氫吸附過程。有理由相信，該合成策略有可能成為高性能水堿電催化劑磷化物研究開發的一條潛在途徑。（文：SSC）

圖1|a)催化劑合成策略示意圖。B)NF，c)TC@NF，d)CP@TC和e，f) CPN@TC的SEM圖像

圖2| a，b)CP@TC從NF中剝離的透射電鏡圖像

圖3)a)Ti 2p，b)Co 2p，c)P 2p和d)N 1S 的CPN@TC的XPS譜

圖4| a)極化曲線和b)相應的CPN@TC、CP@TC、CP@NF、NF、CPN@NF和TC@NF的Tafel斜率。

圖5.a)本文計算的H2O吸附能，b)H*吸附能。